JP2006506940A - Two-stage power conversion circuit - Google Patents
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Abstract
電力変換回路が提供される。回路は、公称入力電圧を中間バス電圧に変換するように作動可能な独立型ボード搭載型電力モジュールを備えており、かかるボード搭載型電力モジュールは規制されておらずオープンループで制御される。回路はまた、中間バス電圧をそれぞれの負荷点電圧に変換してそれぞれの負荷数に電力供給するように作動可能な複数の厳密に規制された負荷点変換器を備えている。A power conversion circuit is provided. The circuit includes a stand-alone board mounted power module operable to convert the nominal input voltage to an intermediate bus voltage, such board mounted power module being unregulated and controlled in an open loop. The circuit also includes a plurality of strictly regulated load point converters operable to convert the intermediate bus voltage into respective load point voltages and power each load number.
Description
本発明は、電力変換回路、例えばネットワークおよび通信の用途に使用される2段電力変換回路に関する。 The present invention relates to a power conversion circuit, for example, a two-stage power conversion circuit used in network and communication applications.
今日の情報時代において、ネットワークおよび通信用途では情報帯域幅がますます必要となっている。帯域幅に対する要望が大きくなるにつれて、サービス品質(QoS)においてデータの統合性をより保証し、かつシステム動作可能時間を最大化するための要求がますます増えている。この目的で、インテリジェントルーティング管理がしばしば採用される。例えばパケット配布ルーティングでは、データの流れはデータの小パケットに再編され、それぞれが別々のデータ経路を経由して最終的な宛て先へと送られここでパケットは最終的には元のデータの流れに再構成される。このようなルーティングは複雑な深層パケット処理を介してのみ行うことができるが、かかる処理はさらに速くかつよりパワフルなNPUsおよびASICsを必要とする。 In today's information era, information bandwidth is increasingly required for network and communication applications. As demand for bandwidth increases, there is an increasing demand to better guarantee data integrity in quality of service (QoS) and maximize system uptime. For this purpose, intelligent routing management is often employed. For example, in packet distribution routing, the data flow is reorganized into small packets of data, each sent to its final destination via a separate data path, where the packet is ultimately the original data flow. Reconfigured. Such routing can only be done through complex deep packet processing, but such processing requires faster and more powerful NPUs and ASICs.
データ処理に対する要望が大きくなったことで、驚くまでもなく、特に内蔵配電の分野において内部ハードウェア設計が影響を受けてきた。通信ボードの標準サイズは比較的一定のままであるため、将来の設計がますます多くのプロセッサをボードに追加することを必要とするにつれて配電システムはさらに小さなスペースに設置しなければならない。同時に、構成部材数が増加すると必ず電力消費が増加する。電源をより小さなスペースに取り付けて電力に対する増大する要望を満足させるには、配電設計を最適化させて効率性を確保するべきである。より効率的な電源を設計すると散逸が小さくなるため発熱量が抑えられる。 The growing demand for data processing has not surprisingly affected internal hardware design, especially in the field of built-in power distribution. Since the standard size of communication boards remains relatively constant, power distribution systems must be installed in even smaller spaces as future designs require more and more processors to be added to the board. At the same time, power consumption always increases as the number of components increases. To install the power supply in a smaller space to satisfy the increasing demand for power, the power distribution design should be optimized to ensure efficiency. If a more efficient power supply is designed, the heat dissipation can be reduced because the dissipation is reduced.
今日のネットワーキングおよび通信システムの多くは嵩のあるバルクAC/DC整流モジュールから48V公称入力を受け取る電源構造を採用している。48V入力は公称入力であるが、さまざまなシステムが公称の範囲内のいずれかの側で電力入力を受け取っている。例えば、汎用電気通信の電圧範囲は36Vinから75Vinであり、ETSI(ヨーロッパ電気通信標準入力)の電圧範囲は36Vから60Vである。他のシステムは規制された48Vバスから+/−10%で作動する。いずれの配電方法を採用するかにかかわらず、入力電圧はできるかぎり最も電気的に効率がよく、かつ費用的に有効な方法で負荷点に配給されるべきである。 Many of today's networking and communication systems employ power structures that receive 48V nominal input from bulky bulk AC / DC rectifier modules. The 48V input is a nominal input, but various systems are receiving a power input on either side within the nominal range. For example, the voltage range of general-purpose telecommunications is 36Vin to 75Vin, and the voltage range of ETSI (European telecommunications standard input) is 36V to 60V. Other systems operate at +/- 10% from a regulated 48V bus. Regardless of which distribution method is employed, the input voltage should be distributed to the load point in the most electrically efficient and cost effective manner possible.
このようなより過酷な要求を満たすために、2段電力変換がボード搭載型の電力配給の新しい標準となりつつある。伝統的には、図1に示すように「ブリックス」と呼ばれる複数の独立した電力変換器105a、…、105n−1、105nを使って、コンピュータマザーボードといったボード上のさまざまな低電圧負荷に電力供給していた。低電流の周辺への出力は、これらの「ブリックス」の内の1つによって生成された中間電力をPOLs110a...110nを介して変換することにより供給されていた。
In order to meet these more demanding requirements, two-stage power conversion is becoming the new standard for board-mounted power distribution. Traditionally, as shown in FIG. 1, a plurality of
そして、ボード搭載配電設計の簡素性および柔軟性を高める試みとして、完全に規制された変換器を使って中間バス電圧を生成し、そして生成されたこの電圧は負荷点電力変換器(POLs)を介して負荷点電圧に変換されていた。例えばある1つの態様(図示せず)では、−48Vin公称入力は単一の独立した変換器を使って3.3ボルト中間バス電圧に変換される。この中間バス電圧はボード上のもっとも電力が不足している負荷に対しては直接供給されるが、電力があまり不足していない負荷はそれぞれのPOL変換器を介して電力を受け取る。スループット効率を最大化し、2段構成のうちいずれかの費用を最小化するためには、それぞれの電力変換段を注意深く最適化しなければならない。しかしながら、これらの構成のスループット効率は低い。 And in an attempt to increase the simplicity and flexibility of onboard power distribution design, a fully regulated converter is used to generate the intermediate bus voltage, which is then generated by the load point power converters (POLs). It was converted to the load point voltage. For example, in one aspect (not shown) , the -48 Vin nominal input is converted to a 3.3 volt intermediate bus voltage using a single independent converter. This intermediate bus voltage is supplied directly to the load with the least power on the board, but the load with less power receives the power through the respective POL converter . Throughput efficiency was maximized in order to minimize any costs of the two-stage configuration, it must be carefully optimized each power conversion stage. However, throughput efficiency of these configurations have low.
本願は、2002年11月11日、2002年12月23日、2003年2月14日、および2003年6月9日にそれぞれ出願された、米国特許仮出願第60/425,422号、第60/436,316号、第60/447,635号、および第60/477,311号(それぞれIR−2412PROV、IR−2412PROV II、IR−2412 PROV III、およびIR−2412 PROV IV)の優先権に基づいておりまたこれを主張するものである。これら仮出願の開示は本願においてその全体を参考文献として援用する。 No. 60 / 425,422, filed on Nov. 11, 2002, Dec. 23, 2002, Feb. 14, 2003, and Jun. 9, 2003, respectively. 60 / 436,316, 60 / 447,635, and 60 / 477,311 (IR-2412 PROV, IR-2412 PROV II, IR-2412 PROV III, and IR-2412 PROV IV, respectively) It is based on and claims this. The disclosures of these provisional applications are incorporated herein by reference in their entirety.
本発明の目的は、採用する構成部材が少ないと同時に多くの今日の用途に対するますます増大する電力要求を満たす、コストおよびスペースで効率的な配電設計を提供することにより従来の2段配電構成の欠点を克服することにある。この目的のために、本発明の例示的な実施態様では、独立型変換器は厳密に規制されたPOL変換器を使用する際に中間バス電圧を正確に制御する必要はないという事実を利用している。反対に、規制なしの変換器をオープンループで駆動することによって有効な性能を実現することができる。 The object of the present invention is to provide a cost- and space-efficient power distribution design that meets the increasing power requirements for many today's applications while employing fewer components, and thus the conventional two-stage power distribution configuration. Overcoming the drawbacks. To this end, the exemplary embodiment of the present invention takes advantage of the fact that a stand-alone converter does not need to precisely control the intermediate bus voltage when using a strictly regulated POL converter. ing. Conversely, it is possible to realize effective performance by driving any transmitter without restriction in an open loop.
デューティサイクル50%で規制なしの規制方法で独立型DCバス変換器をオープンループで駆動することによって、このような電力変換を制御するのに必要とされる制御および回路設計は非常に簡素となり、かつ高効率となる。なぜならオープンループ設計は伝統的な厳密に規制された電力変換設計の複雑なクローズドループ制御および過電圧保護回路系を必要としないからである。従って、かかる制御回路系は小さな空間で単一の一体型回路で実現できる。電力変換性能は最小限の電圧および電流ストレスを使って実現される。これは、より低い効果尺度(FOM)でより効率的な電力MOSFETSを見込んでいる。さらに、固定した50%デューティサイクルは、簡素で高効率の自己駆動二次同期整流回路の使用を可能とすることによって信頼性を改善すると同時に入力および出力フィルタリングの必要性を最小限とする。 By driving an independent DC bus converter in an open loop with an unregulated regulation method with a 50% duty cycle, the control and circuit design required to control such power conversion becomes very simple, And high efficiency. This is because open loop design does not require the complex closed loop control and overvoltage protection circuitry of traditional strictly regulated power conversion designs. Therefore, such a control circuit system can be realized by a single integrated circuit in a small space. Power conversion performance is achieved using minimal voltage and current stress. This allows for more efficient power MOSFETS with a lower effectiveness measure (FOM). Furthermore, a fixed 50% duty cycle improves reliability by allowing the use of a simple and highly efficient self-driven secondary synchronous rectifier circuit while minimizing the need for input and output filtering.
ここで簡素で新規のオープンループ制御構成を制御するには、2つの例示的な一体型回路コントローラが存在する。1つは半ブリッジ変換器であり、1つは全ブリッジ変換器である。本発明による例示的な半ブリッジ変換器を使って特定の範囲、例えば60〜160Wの範囲の公称入力電力供給に変換できるが、本発明による全ブリッジ変換器は例えば120〜160Wの範囲で公称電力入力に変換することができる。固定された50%デューティサイクルにより、出力電圧は係数Kで公称入力電圧に比例する。本発明による半ブリッジ変換器に関しては、係数Kは変圧器同調比によって分割される、例えば二分の一に等しい。本発明による全ブリッジ変換器に関しては係数Kは変圧器の同調比によって分割される、例えば1に等しい。従って、全ブリッジのトポロジーでは出力電圧選択に関してさらなる柔軟性を提供する。 To control a simple and novel open loop control configuration here, there are two exemplary integrated circuit controllers. One is a half-bridge converter and one is a full-bridge converter. While an exemplary half-bridge converter according to the present invention can be used to convert to a nominal input power supply in a specific range, for example in the range of 60-160W, a full-bridge converter in accordance with the present invention can have a nominal power in the range of, for example, 120-160W. Can be converted to input. With a fixed 50% duty cycle, the output voltage is proportional to the nominal input voltage by a factor K. For the half-bridge converter according to the invention, the factor K is divided by the transformer tuning ratio, for example equal to one half. For a full bridge converter according to the invention, the factor K is divided by the tuning ratio of the transformer, for example equal to 1. Thus, the full bridge topology provides additional flexibility with respect to output voltage selection.
基本的な案において、本発明よる1つの実施形態によれば、図2に示すように、公称−48Vは単一の独立した変換器210を介して、12Vの中間バス電圧205に変換される。そして中間バス電圧205はそれぞれのPOLs215a、215b、215c、…、215nを介してさまざまな負荷点電圧に変換される。In a basic scheme, according to one embodiment according to the present invention, as shown in FIG. 2, nominally −48V is converted to a 12V
ここで図3を参照すると、本発明による第1の例示的な半ブリッジ2段電力変換構成300を見て取れる。電力変換構成300は、オープンループで作動される単一の独立型の規制されないボード搭載型電力モジュール(BMP)305を備えている。BMP305は公称入力電圧320を中間バス電圧325に変換するよう作動させることができる。そして中間バス電圧325はさまざまな負荷点(POL)変換器310a、310b、…、310nへと供給され、ここで中間バス電圧325はボード上のさまざまな負荷(図示せず)に電力供給するためにそれぞれの負荷点電圧330a、330b、…、330nに変換される。
Referring now to FIG. 3, it can be seen a first exemplary half-bridge two-stage
ここで図4を参照すると、図3のBMP電力モジュール305に使う例示的な半ブリッジ変換器回路405が見て取れる。半ブリッジ変換器回路405は、一次オープンループ反転回路410、一次バイアス回路430、二次整流およびフィルタリング回路425、および二次バイアス回路420を備えている。
Referring now to FIG. 4, an exemplary half-
一次オープンループ反転回路410は、端子(CS)、(CT)、(G)、(LO)、(Vb)、(HO)、(Vs)および(Vcc)を持つ一次半ブリッジコントローラIC415を備えている。ダイオードD1はVddとコントローラIC415の端子(Vb)のとの間に接続されており、抵抗R1はVddとコントローラIC415の端子(CT)との間に接続されており、コンデンサC1はVddとコントローラIC415の端子(CS)、(G)との間に接続されており、コンデンサC2はコントローラIC415の端子(CT)と接地との間に接続されていて、またコントローラIC415の端子(CS)、(G)にも接続されており、コンデンサC3はコントローラIC415の端子(Vb)と(Vs)との間に接続されており、そして端子(Vcc)はVddに接続されている。一次オープンループ反転回路410はまた、48ボルト公称入力320と接地との間の半ブリッジ構成においてノードN1で互いに接続されている電力MOSFETS M1、M2(例えば、ゲート駆動電圧が7.5ボルトといったバイアス電圧にクランプされている2つのIRF6603 30V n−チャネルダイレクトFET電力MOSFETS)も備えている。ノードN1はコントローラIC415の端子(Vs)にも接続されている。MOSFETS M1、M2のゲートはそれぞれ端子(HO)、(LO)に接続されている。直列接続されたコンデンサC5およびC6と、コンデンサC4とは48ボルト公称入力320と接地との間の半ブリッジMOSFETS M1、M2に並列に接続されている。一次巻線I1はノードN2とコントローラIC415の端子(Vs)との間に接続されている。
The primary open
MOSFETの選択は、搭載箇所を小さいまま維持しつつ最小限の構成部材数も維持するための電気的および熱的効率の要求を満たすにあたって重要である。電力MOSFETS M1、M2は次世代MOSFET技術を備えていてよく、また半ブリッジ構成に構成して、半ブリッジコントローラIC415とともに動作するようにしてよい。パッケージング抵抗を事実上排除するためにダイレクトFETパッケージングもまた採用してよく、これにより全体のオン状態抵抗を低く見込むことが可能となる。さらに、ダイレクトFET技術はプラスチックパッケージングを採用しているため、ダイレクトFET MOSFETSは上面冷却を採用する場合に非常に効率的である。一次バイアス回路430は、一次バイアスMOSFETS M3、M4を含む二重FETパッケージ435(例えばIRF7380 n−チャネルFETs)、48ボルト公称入力320とMOSFET M3との間に並列に接続されている抵抗R2、R3、48ボルト公称入力320とMOSFET M4との間に接続されている抵抗R4、抵抗R4と接地との間に接続されている直列に接続されたツェナーダイオードD4,D5、ノードN3とVddとの間に接続されているダイオードD3、MOSFET M4に接続されているダイオードD2、およびダイオードD2と接地との間に接続されている一次バイアス巻線I2を備えている。このようにして、起動時に線形レギュレータを介して、そして変圧器から定常状態で一次側バイアスが得られる。
The choice of MOSFET is important in meeting the requirements of electrical and thermal efficiency to maintain a minimal number of components while keeping the mounting location small. The power MOSFETS M1, M2 may comprise next generation MOSFET technology and may be configured in a half-bridge configuration to operate with the half-
二次整流およびフィルタリング回路425は、一次オープンループ反転回路410の一次巻線I1に磁気的に結合されている二次巻線I3を備えている。二次巻線I3は、ノードN4において互いに並列に接続されているMOSFETS M5、M6の間に接続されている。抵抗R5およびコンデンサC7は、MOSFET M5のソースおよびドレイン端子と並列に接続されているダイオードd6と並列に互いに接続されている。同様に、抵抗R6およびコンデンサC8は、MOSFET M6のソースおよびドレイン端子と並列に接続されているダイオードD7と並列に互いに接続されている。M5、M6のゲートノードは各々がそれぞれの抵抗R7、R8を介してノードN4に接続されている。インダクタコイルI4はセンタータップノードN5に接続されており、コンデンサC9、C10、C11はインダクタコイルI4とノードN4との間に互いに並列に接続されている。二次整流およびフィルタリング回路425にもやはり2つの二次MOSFETS M7、M8が設けられている。MOSFETS M7、M8のゲートノードは互いに接続されている。MOSFETS M7、M8のソースノードはMOSFETS M5、M6のゲートノードにそれぞれ接続されており、MOSFETS M7、M8のドレインノードはMOSFETS M6、M5のドレインノードにそれぞれ接続されている。二次側MOSFETS M7、M8は、例えば自己駆動同期整流トポロジーに構成されているIRF6603 ダイレクトFET MOSFETSを使って実現してよい。
The secondary rectification and
二次バイアス回路420は、一次バイアス回路430の一次バイアス配線I2に磁気的に結合されている二次バイアス配線I5を備えている。ダイオードD8、D9はノードN4とノードN6との間に直列に互いに接続されている。コンデンサC12はノードN7に接続されている。バイアス配線I5はコンデンサC12とノードN4との間に接続されている。抵抗R8はノードN6とN4との間にツェナーダイオードD10と直列に接続されている。コンデンサC13および抵抗R9はノードN4とMOSFETS M7、M8のゲートとの間に並列に接続されている。このようにして二次バイアス回路420は、それぞれ異なる公称入力電圧で作動している2つのバス変換器の出力が並列に接続できるように設計されている。従って、二次バイアス回路420はたとえ2つのバス変換器のうちの1つが故障した場合でも半ブリッジ変換器回路405が作動し続けられるようにする。
ここで図7を参照すると、本発明による例示的な配電板705の正面および背面が見て取れる。配電板は1/8変換器BMP出力ラインに96%を超える効率で8V出力電圧で150Wを配送できる。これは従来の完全に規制され、ボード搭載型電力変換器と比較すると効率性が3〜5%高く、サイズが50%小さい。プリント回路基板(PCB)の電力損失を最小限にするために、配電板705は8層PCBボード構成といった多層PCBボード構成を持っていてよい。最上層および最下層は例えば2オンスの銅からなっていてよく、内部の6層は例えば4オンスの銅からなっていてよい。配電板705はまた、一次オープンループ反転回路410と二次整流およびフィルタリング回路425との間で電圧変換および分離を行うフラットなPQコアを持つ変圧器も備えていてよい。変圧器用の磁気コアは最大入力電圧および周波数に従って選択してよい。FR3材は高周波数で低損失のものを使用してよい。変圧器に非常に小さなエア間隙を設けて軽負荷において一次側のMOSFETS M1、M2のターンオフ時間を短くするようにしてよい。エア間隔が1ミリメータの小型の160nH出力インダクタを使って出力および入力電流リップルを4アンペア未満に制限するようにしてよい。
Referring now to FIG. 7, the front and back of an exemplary power distribution board 705 according to the present invention can be seen. The power distribution board can deliver 150W with 8V output voltage to the 1/8 converter BMP output line with efficiency exceeding 96%. This is completely regulated and is 3 to 5% more efficient and 50% smaller in size than a board-mounted power converter. In order to minimize printed circuit board (PCB) power loss, the power distribution board 705 may have a multi-layer PCB board configuration, such as an 8-layer PCB board configuration. The top and bottom layers may be made of, for example, 2 ounce copper, and the inner six layers may be made of, for example, 4 ounce copper. Distribution board 705 may also include a transformer with a flat PQ core that performs voltage conversion and isolation between primary open-
半ブリッジコントローラIC415は50%デューティサイクルおよび最小限の外部構成部材数で一次ドライバMOSFETS M1、M2用の高サイドおよび低サイド駆動信号を提供するように作動させることができる。半ブリッジコントローラIC415のゲートドライブ能力は、ドライバまたはバッファを全く追加することなく新世代電力MOSFETS M1、M2を直接駆動するように最適化される。高サイド公称入力電圧320は、たとえ48V公称入力電圧を使って図4の例示的な回路を実現した場合であっても、例えば100Vという高い値であってよい。従って、この構成は電気通信、ネットワーキングおよび演算用に例えば24Vから48Vの間の広い公称入力電圧範囲を可能とする。さらに、一次側バイアス電圧は例えば10〜15Vの範囲としてさらに回路性能を最適化することができる。
The half-
磁束アンバランスを防止するために、高サイド駆動信号と低サイド駆動信号との間のパルス幅の差は所定のしきい値未満、例えば25ns未満にすべきである。このことはある用途では重要となり得る。高サイドと低サイドの駆動信号間のスイッチング周波数およびデッドタイムは抵抗R1およびコンデンサC2の値を調整することによって異なる用途向けに変更することができる。スイッチング周波数は以下の数式によって決められる。
fs=1/(2R1C2)
In order to prevent flux imbalance, the difference in pulse width between the high side drive signal and the low side drive signal should be less than a predetermined threshold, for example less than 25 ns. This can be important in certain applications. The switching frequency and dead time between the high side and low side drive signals can be varied for different applications by adjusting the values of resistor R1 and capacitor C2. The switching frequency is determined by the following formula.
f s = 1 / (2R 1 C 2 )
外部抵抗R1およびコンデンサC2もまた高サイドと低サイドの駆動信号間のデッドタイムを決める。ここで図5を参照すると、コンデンサC2を特定の容量値とした場合における抵抗R1の値とデッドタイムとの間の関係を示すチャートが見て取れる。デッドタイムは一次側MOSFETS M1、M2のターンオフ時間よりも長くして短絡電流を防止するようにすべきである。一次電力MOSFETSのターンオフ時間は以下の数式によって見積もることができる。
toff=(Qgd+Qgs2)/Ig
ここで、QgdはMOSFETゲートからドレインへの電荷(すなわち「ミラー」電荷)であり、Qgs2は後しきい値ゲート電荷、およびIgは駆動電流である。
External resistor R1 and capacitor C2 also determine the dead time between the high side and low side drive signals. Referring now to FIG. 5, a chart showing the relationship between the value of the resistor R1 and the dead time when the capacitor C2 has a specific capacitance value can be seen. The dead time should be longer than the turn-off time of the primary side MOSFETS M1, M2 to prevent short circuit current. The turn-off time of the primary power MOSFETS can be estimated by the following formula.
t off = (Q gd + Q gs2 ) / I g
Where Qgd is the MOSFET gate-to-drain charge (ie, “mirror” charge), Qgs2 is the post-threshold gate charge, and Ig is the drive current.
デッドタイム中は、二次MOSFETS M7、M8の本体ダイオードが導通する。従って、デッドタイムはできるだけ短く設定して効率性を最大化する一方、それでも一次側MOSFETS M1、M2が最悪の場合における作動条件ではターンオフとなるのに十分な時間が提供されるようにすべきである。 During the dead time, the body diodes of the secondary MOSFETS M7 and M8 are conducted. Therefore, the dead time should be set as short as possible to maximize efficiency while still providing sufficient time for the primary side MOSFETS M1, M2 to turn off under worst case operating conditions. is there.
ここで図6を参照すると、図4の例示的な半ブリッジコントローラIC415のさらなる詳細が見て取れる。コントローラIC415全体がバイアスブロック610によって生成されるバイアス電圧(例えば10から15ボルト)で作動する。半ブリッジコントローラIC415はVccおよびVbにそれぞれ割り当てられた不足電圧ロックアウト(UVLO)ブロック605、650を備えている。不足電圧監視機能により、すべてのタイミング信号が仕様内に確実に維持される。発振器ブロック615はデューティサイクルが50%の、555タイプの発振波形信号S1を提供する。内部ソフトスタートブロック630により、信号S2、S3、S4のデューティサイクルが確実にゼロから50%へと次第に増加するようにし、これにより起動中のインラッシュ電流が容易となる。高サイドおよび低サイドドライバ655、660は、MOSFETS 665、670、675、680を介して高いサイドおよび低サイドドライバ信号(HO)、(LO)で例えば1アンペアの電流を提供することが可能である。半ブリッジコントローラIC415はまた電流源640、645、およびMOSFETS 690、695を介した電流制限機能も備えている。
Referring now to FIG. 6, further details of the exemplary half-
上述のように、半ブリッジコントローラIC415を使ってオープンループで作動される、規制されない独立型DCバス変換器、例えば48V、2段ボード搭載型配電システムに用いるDCバス変換器を制御してよい。半ブリッジコントローラIC415は性能、簡素性、および費用の面で最適化され、コントローラIC415全体を単一のS08パッケージといった単一のパッケージに一体化することができる。
As described above, the half-
ここで図9を参照すると、図3のBMP電力モジュール305用の例示的な全ブリッジ変換器回路900が見て取れる。全ブリッジ変換器回路900は、一次オープンループ反転回路910、一次バイアス回路915、および二次整流およびフィルタリング回路425を備えている。
Referring now to FIG. 9, an exemplary full
一次オープンループ反転回路910は、端子(CS)、(D)、(CT)、(G1)、(LO1)、(Vcc)、(VB1)、(HO1)、(VS1)、(G2)、(LO2)、(VS2)、(HO2)、および(VB2)を持つ一次全ブリッジコントローラIC905を備えている。ダイオードD11はVccとコントローラIC905の端子(VB1)との間に接続されている。ダイオードD12はVccとコントローラIC905の端子(VB2)との間に接続されている。抵抗R1はVccとコントローラIC905の端子(CT)との間に接続されている。コンデンサC1はVccとコントローラIC905の端子(G1)との間に接続されている。コンデンサC2はコントローラIC905の端子(CT)と接地との間に接続されている。コンデンサC15はコントローラIC905の端子(Vb1)、(VS1)の間に接続されている。端子(Vcc)はVccに接続されている。コンデンサC17およびC18は48ボルト公称入力320と接地との間に互いに並列に接続されている。そしてコンデンサC16はコントローラIC905の端子(VS2)および(VB2)の間に接続されている。一次オープンループ反転回路905はまた、電力MOSFETS M9、M10、M11、M12(例えば4つのIRF6603 30V n−チャネルダイレクトFET電力MOSFETS)も備えている。MOSFET M9、M10、およびM11、M12は全ブリッジ構成において48ボルト公称入力320と接地との間でそれぞれノードN9,N10で互いに接続されている。ノードN9もまたコントローラIC905の端子(VS1)に接続されており、ノードN10もまたコントローラIC905の端子(VS2)に接続されている。MOSFETS M9、M10、M11、M12のゲートはそれぞれ端子(HO1)、(LO1)、(HO2)、(LO2)に接続されている。一次巻線I7はノードN9とN10との間に接続されている。
The primary open
一次バイアス回路915は、一次バイアスMOSFETS M15,M16と、48ボルト公称入力320とMOSFET M15との間に並列に接続されている抵抗R16,R17と、48ボルト公称入力320とMOSFET M4との間に接続されている抵抗R18と、抵抗R18と接地との間に接続されている直列に接続されたツェナーダイオードD13、D14、MOSFET M16に接続されたダイオードD15と、ダイオードD15と接地との間に接続された一次バイアス巻線I9と、コントローラIC905の端子(CS)と接地との間に並列に互いに接続されている抵抗R14およびコンデンサC22と、コントローラIC905の端子(CS)と接地との間にノードN11で直列に接続されている抵抗R15,R13と、コントローラIC905の端子(CS)と(rm)との間に接続されている抵抗R19と、ノードN11と接地との間に接続されている直列に接続されたダイオードD16,D17と、ノードN11と接地との間に接続されている直列に接続されたダイオードD18,D19、直列に接続されたダイオードD16、D17とD18、D19との間に接続されているコイルI10とを備えている。
二次整流およびフィルタリング回路920は、一次オープンループ反転回路910の一次巻線I7に磁気的に結合された二次巻線I11を備えている。二次巻線I11は、ノードN12で互いに接続されているMOSFETS M17、M18の間に接続されている。MOSFETS M17、M18のゲートノードは各々がそれぞれの抵抗R11、R10を介してノードN12に接続されている。インダクタコイルI8はセンタータップノードN13に接続されており、コンデンサC19、C20、C21はインダクタコイルI8とノードN12との間で並列に互いに接続されている。二次整流およびフィルタリング回路425には2つの二次MOSFETS M13、M14も設けられている。MOSFETS M13、M14のゲートノードは互いに接続されている。ツェナーダイオードD20およびコンデンサC23はMOSFETS M13、M14のゲートノードとノードN12との間で互いに並列に接続されている。抵抗R12はMOSFETS M13、M14のゲートノードとインダクタコイルI8との間に接続されている。MOSFETS M13、M14のソースノードはそれぞれMOSFETS M17、M18のゲートノードに接続されており、MOSFETS M13、M14のドレインノードはそれぞれMOSFETS M18、M17のドレインノードに接続されている。二次側MOSFETS M13、M14は、例えば自己駆動同期整流トポロジーに構成されているIRF6603 ダイレクトFET MOSFETSを使って実現してよい。
The secondary rectification and
全ブリッジコントローラおよびドライバIC905は、図4の半ブリッジコントローラ415に類似しているが、電流制限機能モードが改善されておりまた柔軟なソフトスタート能力をもっている。電流制限機能は一時的な中断モードを持っており、このモードでは一時的な中断期間中はコンデンサによって外部から制御してよい。一次側電流は電流変圧器によって検知される。例えば150対1のターン比といった高いターン比を持っている。検知されたAC電流情報は整流され、そしてRCフィルタリング後、ドライバIC905の電流検知ピン(CS)に入力として提供される。
The full bridge controller and
このコントローラIC905は全ブリッジ回路向けに設計されているため、MOSFETS M9、M10、M11、M12用の4つのゲート駆動信号をそれぞれ提供する。コントローラは50%デューティサイクルでそれぞれの分岐を交互にオンする。2つの分岐間のターンオン期間の差は、たとえば25ns未満として、磁束アンバランスを防止するようにすべきである。2つのMOSFETS間のターンオンおよびターンオフのタイミング差もまた25ns未満とすべきである。
Since this
ここで図10を参照すると、電流制限設定が21A、電流負荷設定が22A、および公称入力電圧が48Vでの一時的中断モードの最中の出力電圧波形を示すグラフが見て取れる。図10に示すように、コントローラIC905は所定の期間中に一回変換器をオンしようと試みている。例えば、所定の期間はコンデンサC14の値を調整することによって例えば500msに設定してよい。
Referring now to FIG. 10, a graph can be seen showing the output voltage waveform during the temporary break mode with a current limit setting of 21A, a current load setting of 22A, and a nominal input voltage of 48V. As shown in FIG. 10, the
半ブリッジコントローラIC415および全ブリッジコントローラIC905は両方とも重なり合う周波数範囲内で簡単に外部と同期できるように設計されている。この目的のために、タイミング抵抗R1を取り除く必要があり、図11に示すようにタイミングコンデンサC2をIC415、905と外部同期源との間に接続する必要がある。自己発振モードでは、外部タイミング抵抗R1を通る電流がタイミングコンデンサC2に充電される。IC415、905のいずれかの(CT)端子における電圧が所定のしきい値よりも高い場合、例えばIC供給電圧VccまたはVddの半分の場合にはいつでも、コントローラIC415、905の内部ドライバがタイミングコンデンサC2を放電させ始める。端子(CT)における電圧が所定のしきい値となった後、例えば、供給電圧VccまたはVddの5分の1となった後、コントローラIC405、915は内部ドライバを使用不可としまたタイミングコンデンサC2の放電を停止させて、抵抗R1を通る電流が再びコンデンサC2を充電し始めるようにする。
Both the half-
動作の同期モードでは、外部コンデンサC2は外部同期源の立ち上がりを(CT)端子に接続される。端子(CT)における電圧が所定のしきい値よりも高い場合、例えばIC供給電圧の半分であるときはいつでも、コントローラIC415、905における内部ドライバが端子(CT)の電圧を放電させ始める。端子(CT)における電圧が所定のしきい値未満の場合、例えばIC415、905供給電圧の5分の1の場合には、IC415、905はドライバを使用不可とし、またタイミングコンデンサC2の放電を停止させる。負エッジが印加されると、内部ダイオードが端子(CT)における電圧をリセットし、外部タイミングコンデンサC2両端の電圧をゼロボルトに維持する。外部タイミングコンデンサC2両端の電圧がゼロに達すると、コンデンサC2は次の外部正パルスの準備が整う。同期モードでは、デッドタイムは端子(CT)における内部インピーダンスおよび外部タイミングコンデンサC2の容量によってのみ決まる。
In the synchronous mode of operation, the external capacitor C2 is connected to the (CT) terminal at the rising edge of the external synchronization source. Whenever the voltage at the terminal (CT) is higher than a predetermined threshold, for example when it is half the IC supply voltage, the internal driver in the
自己発振モードではタイミング抵抗R1が低すぎるということはあり得ず、これにより最大作動周波数を制限している。通常、タイミング抵抗R1は2kΩといった所定の値よりも高くされるべきである。抵抗R1の抵抗値が低い程、IC415、905の内部放電ドライバ用のシンク電流が高くなる。同期モードではタイミング抵抗R1は取り除かれるため、より高い作動周波数を実現できる。同期モードでの最大作動周波数は外部の一次側MOSFETSを駆動することから導かれる電力損失によって決定される。
In the self-oscillation mode, the timing resistor R1 cannot be too low, thereby limiting the maximum operating frequency. Normally, the timing resistor R1 should be higher than a predetermined value such as 2 kΩ. The lower the resistance value of the resistor R1, the higher the sink current for the internal discharge drivers of the
Claims (20)
中間バス電圧をそれぞれの負荷点電圧に変換してそれぞれの負荷に電力供給するように作動可能な複数の厳密に規制された負荷点変換器、
を備えることを特徴とする、電力変換回路。 An unregulated independent board mounted power module operable to convert a nominal input voltage to an intermediate bus voltage, the independent board mounted power module being controlled in an open loop;
A plurality of strictly regulated load point converters operable to convert the intermediate bus voltage into respective load point voltages and power each load;
A power conversion circuit comprising:
fs=1/(2R1C2)
によって決定され、ここでfsはスイッチング周波数、R1はタイミング抵抗の値、C2はタイミングコンデンサの値であることを特徴とする、請求項4に記載の電力変換回路。 The switching frequency is the following formula:
f s = 1 / (2R 1 C 2 )
The power conversion circuit according to claim 4, wherein fs is a switching frequency, R1 is a value of a timing resistor, and C2 is a value of a timing capacitor.
fs=1/(2R1C2)
によって決定され、ここでfsはスイッチング周波数、R1は前記タイミング抵抗の値、およびC2は前記タイミングコンデンサの値であることを特徴とする、請求項9に記載の電力変換回路。 The switching frequency is the following formula:
f s = 1 / (2R 1 C 2 )
10. The power conversion circuit according to claim 9, wherein fs is a switching frequency, R1 is a value of the timing resistor, and C2 is a value of the timing capacitor.
前記半ブリッジコントローラICを作動させるためのバイアス電圧を生成するバイアス回路、
前記半ブリッジコントローラICの電力供給ピンにおける電圧をモニタするよう作動可能な不足電圧ロックアウト回路、
50%デューティサイクルを持つタイミング信号を提供する発振器回路、
タイミング信号のデューティサイクルが確実にゼロから50%デューティサイクルへと次第に増加するようにして起動中のインラッシュ電流を容易にするソフトスタート回路、
前記半ブリッジコントローラICは50%デューティサイクルでMOSFETSを交互に制御するものであって、MOSFET駆動信号を提供して互いに半ブリッジ構成に接続されている一対のMOSFETSを制御する高サイドおよび低サイドドライバと、
を備えることを特徴とする半ブリッジコントローラIC。 An independent unregulated board mounted power module operable to convert a nominal input voltage to an intermediate bus voltage, said board mounted power module being controlled in an open loop, and an intermediate bus voltage respectively A half-bridge controller IC for use with a power converter circuit comprising a plurality of strictly regulated load point converters operable to convert to a plurality of load point voltages and power each load number, The half bridge controller IC
A bias circuit for generating a bias voltage for operating the half-bridge controller IC;
An undervoltage lockout circuit operable to monitor the voltage at the power supply pin of the half-bridge controller IC;
An oscillator circuit that provides a timing signal having a 50% duty cycle;
A soft-start circuit that facilitates inrush current during start-up, ensuring that the duty cycle of the timing signal gradually increases from zero to 50% duty cycle,
The half-bridge controller IC alternately controls MOSFETS with a 50% duty cycle and provides a MOSFET drive signal to control a pair of MOSFETS connected to each other in a half-bridge configuration. When,
A half-bridge controller IC comprising:
中間バス電圧をそれぞれの負荷点電圧に変換してそれぞれの負荷に電力供給するよう作動可能な複数の厳密に規制された負荷点変換器、
を備えることを特徴とする電力変換回路。 An unregulated independent board mounted power module operable to convert a nominal input voltage to an intermediate bus voltage, wherein the independent board mounted power module is controlled in an open loop and the unregulated independent The on-board power module includes a half-bridge controller IC, the half-bridge controller IC generating a bias voltage to operate the half-bridge controller IC, and a power supply pin of the half-bridge controller IC. Undervoltage lockout circuit operable to monitor voltage, oscillator circuit providing timing signal with 50% duty cycle, ensuring that duty cycle of timing signal gradually increases from zero to 50% duty cycle The running in A soft start circuit for facilitating a shush current, a high side and a low side driver for providing a MOSFET drive signal and controlling a pair of MOSFETS connected to each other in a half bridge configuration, Unregulated independent board-mounted power module that alternately controls MOSFETS with% duty cycle, and can operate to convert intermediate bus voltage to respective load point voltage to power each load Multiple strictly regulated load point transducers,
A power conversion circuit comprising:
fs=1/(2R1C2)
によって決定され、ここでfsはスイッチング周波数、R1はタイミング抵抗の値、C2はタイミングコンデンサの値であることを特徴とする、請求項17に記載の電力変換回路。 The switching frequency is the following formula:
f s = 1 / (2R 1 C 2 )
18. The power conversion circuit according to claim 17, wherein fs is a switching frequency, R1 is a value of a timing resistor, and C2 is a value of a timing capacitor.
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